压力可测量可控制调节的半导体材料研磨加工夹具及加工方法

技术领域

本发明涉及一种半导体材料加工夹具，特别是涉及一种压力可测量可控制调节的半导体材料研磨加工夹具。

背景技术

在半导体晶圆或材料的处理过程中，需要对晶圆或材料进行研磨抛光处理。在研磨过程中，夹具夹持晶圆或材料在研磨机上进行精密加工。加工的同时夹具需要施加一定的压力在晶圆或材料上，以确保晶圆或材料被正确的加工。

在半导体材料研磨时，尤其是以GaSb、InSb、InAs等为代表的锑化物和三五族材料的研磨加工时，需要控制好对晶圆或材料的背压，防止压力过大造成材料的碎裂，崩边和划道等。一些小型的晶圆和器件做背面研磨时，需要的压力在100～800克，压力控制要求更精密准确。

当前的精密研磨夹具是以机械方式进行加压，比如直接加一定重量的负载块，通过机械旋钮配合弹簧弹力调节下压力，或者采用气缸进行压力设定等，这些加压方式都比较粗糙，适用压力较大。由于弹簧、气缸控制的不精确性，在1000g以下的小压力范围内误差超过10%且重复性不佳。这些都不利于压力的精确控制，不适应高标准的半导体材料加工。

发明内容

针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种压力可测量可控制调节的半导体材料研磨加工夹具，目的是提高1kg以下压力范围的压力精度，同时也提高研磨去除量的重复一致性以及材料加工后的表面一致性。本发明的另一任务在于提供利用本发明的半导体材料研磨加工夹具进行的加工方法。

本发明技术方案如下：一种压力可测量可控制调节的半导体材料研磨加工夹具，包括夹具外支架、夹具套筒、吸附头和夹具内轴，所述夹具外支架与所述夹具套筒固定连接，所述吸附头与所述夹具内轴的下端固定连接，所述吸附头设置于所述夹具外支架内，所述夹具内轴设置在所述夹具套筒内，所述夹具套筒上螺纹配合有压力粗调钮，所述压力粗调钮上连接有上基板，所述上基板的下方通过拉压力传感器纵向连接有电机，所述电机驱动所述夹具内轴相对所述夹具套筒纵向移动，所述压力粗调钮转动时驱动所述上基板、所述拉压力传感器、所述电机、所述丝杆螺母运动副以及所述夹具内轴共同纵向移动，所述拉压力传感器用于测量纵向拉压力。

进一步地，所述夹具外支架的顶面设有距离测量装置，所述距离测量装置用于测量所述吸附头的纵向移动距离。

进一步地，包括控制器，所述控制器分别与所述拉压力传感器、所述电机以及所述距离测量装置电连接。通过控制器根据拉压力传感器和距离测量装置的信号来控制电机的运行，分别由拉力变化以及吸附头的移动距离对电机进行控制可以具有更好地重复性。

进一步地，为了提高夹具内轴纵向运动的精度，避免粗调时夹具内轴产生转动，所述上基板固定连接有支撑筒，所述支撑筒与所述压力粗调钮通过轴承连接，所述上基板通过支撑筒与所述压力粗调钮实现转动连接，所述夹具套筒与所述夹具内轴在纵向滑动配合。

进一步地，所述电机设置于所述支撑筒内，所述夹具内轴的上端伸入所述支撑筒。

进一步地，所述电机通过丝杆螺母运动副与夹具内轴的上端连接。

进一步地，所述上基板上设有用于导入真空的旋转接头，所述上基板上设有真空导出接头。

进一步地，所述吸附头设置真空腔，所述真空腔上设有真空接口，所述真空接口从所述夹具外支架上伸出。

进一步地，所述距离测量装置为无线千分表。

本发明的另一技术方案为：一种压力可测量可控制调节的半导体材料研磨加工方法，采用前述的压力可测量可控制调节的半导体材料研磨加工夹具，包括将晶圆吸附于所述吸附头的下端面并将所述半导体材料研磨加工夹具置于磨抛盘，先调整压力粗调钮使晶圆所受压力Fw与所需加工压力偏差不超过100g，再由控制器控制电机动作使Fw达到所需加工压力，其中Fw=W-F2，其中W为所述电机、所述夹具套筒、所述吸附头和所述晶圆依次连接构成的整体重量，所述F2为所述拉压力传感器测得的拉力，在磨抛过程中根据所述拉压力传感器测得的拉力变化和所述距离测量装置测得的所述吸附头的纵向移动距离控制所述电机动作使所述Fw稳定在所需加工压力。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本装置采用带有第一调节机构的支撑板，并在支撑板上采用检测滚轮配合压电振动传感器进行缺陷检测，可以根据具体导轨的大小形状来调节支撑板位置，同时检测滚轮可随之改变位置，不用因为导轨尺寸变化而重新校准传感器，使得检测装置更容易适合多种尺寸电梯轨道的缺陷检测。整个装置可安装在电梯轿厢底部，不用调整原来电梯的结构，对于原来的电梯影响较小，拓宽了装置的适用场景。

附图说明

图1为实施例的压力可测量可控制调节的半导体材料研磨加工夹具的立体示意图。

图2为实施例的压力可测量可控制调节的半导体材料研磨加工夹具的剖切结构示意图。

图3为实施例的压力可测量可控制调节的半导体材料研磨加工夹具的外部电气连接结构示意图。

图4为实施例的压力可测量可控制调节的半导体材料研磨加工夹具的管线连接结构示意图。

图5为晶圆无压悬停状态受力图。

图6为晶圆受压时受力图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

请结合图1至图4所示，本实施例所涉及的一种压力可测量可控制调节的半导体材料研磨加工夹具100包括旋转接头1、上基板2、拉压力传感器3、电机4、支撑圆筒5、丝杆套6、轴承7、压力粗调钮8、夹具内轴9、夹具套筒10、真空接口11、真空腔12、吸附头13、驱动环15、夹具外支架16、无线千分表17。

旋转接头1的下端与上基板2固定连接，上基板2的侧方设有真空导出接头2a。旋转接头1的顶部导入真空，并从上基板2的真空导出接头2a引出，旋转接头1的侧面分别设置接线端子1a以实现半导体材料研磨加工夹具中拉压力传感器3、电机4与外部控制器18的电气连接。

上基板2固定在支撑圆筒5的顶部。支撑圆筒5内部中空，上基板2的底部固定安装有拉压力传感器3，拉压力传感器3下连接电机4，由拉压力传感器3测量纵向拉压力。

支撑圆筒5的底部外缘与轴承7的外板固定，轴承7的轴线为纵向设置，轴承7的内板则与压力粗调钮8的顶部固定连接，如此在转动压力粗调钮8时，支撑圆筒5在轴承7的作用下可以保证不转。

压力粗调钮8内部加工有精密螺纹，与压力粗调钮8配合的是夹具套筒10，夹具套筒10的上端也加工有精密螺纹，压力粗调钮8与夹具套筒10两者螺纹连接，当压力粗调钮8转动时，可以使压力粗调钮8与夹具套筒10产生轴向位移（纵向位移）。

夹具套筒10与夹具外支架16固定连接，夹具外支架16的底面固定设置驱动环15，夹具外支架16内部凹腔用于容纳吸附头13以对晶圆14进行吸附。

电机4的转轴向下设置，电机4的转轴连接有丝杆，一个丝杆套6与丝杆配合形成丝杠螺母运动副，由电机4的转动，驱动丝杆套6进行纵向位移。

丝杆套6的下套固定在夹具内轴9的顶端，夹具内轴9呈竖直设置并位于夹具套筒10，夹具内轴9与夹具套筒10进行纵向滑动配合，由夹具套筒10对夹具内轴9进行位移导向。夹具内轴9则与吸附头13固定连接，如此，在电机4的驱动下，通过丝杆套6和夹具内轴9可以带动吸附头13进行精确的纵向位移，以调节吸附头13上的吸附晶圆所受的压力。

吸附头13的内部设置真空腔，吸附头13的底面设置与真空腔12连通沟槽和通孔，吸附头13的顶部还设置由真空接口11，真空接口11与真空腔接通，真空接口11的顶端从夹具外支架16的顶板穿出，通过软管连接至上基板2的真空导出接头2a。通过这一通路使得真空腔形成真空，从而利用吸附头13底部的沟槽和通孔对晶圆14形成吸附。

夹具外支架16的顶板上还固定安装有作为距离测量装置的无线千分表17，无线千分表17的顶针设置在夹具外支架16的凹腔内与吸附面13的上表面接触，用于测量吸附面13的移动距离。

如图3所示，由真空泵19连接真空过滤器20后通过真空管线连接至旋转接头1为半导体材料研磨加工夹具100提供真空，真空管线上设置电磁阀21，电磁阀21与外部控制器18电连接。外部控制器18还与电机控制器22、传感控制器23和信号接收器24电连接，电机控制器22用于与电机4连接并控制电机工作，传感控制器23用于与拉压力传感器3穿点拉压力信号，信号接收器24则与无线千分表17连接接收其测得的距离信号。

请结合图5、图6所示，采用半导体材料研磨加工夹具100进行压力可测量可控制调节的半导体材料研磨加工方法是这样的：

将晶圆14吸附于吸附头13的下端面并将半导体材料研磨加工夹具100置于磨抛盘200。当晶圆14未与磨抛盘200表面接触，此时晶圆14被加工面没有受到压力作用。把依次连接的丝杆套6、夹具内轴9、吸附头13、晶圆14当做一个整体，其重量为W1，在此时受到电机4的向上拉力F1，W1=F1。电机4的重量为W2，把电机4和前述整体当做一个大整体时，他们的总重量为W=W1+W2。此时大整体受到其自身向下的重力W，拉压力传感器3对它向上的拉力F2。W=F2。其中F2可以通过拉压力传感器3测量得到，W1和W2可以称重得到。图中F1为电机4收到的拉力。

当晶圆14与磨抛盘200表面接触后产生压力，此压力也可以理解为磨盘表面对晶圆14的作用力，为Fw。此时拉压力传感器3对大整体的向上的拉力F2。W= F2+Fw。因此晶圆所受压力Fw=W-F2。

在设定晶圆14的加工压力时，先调整压力粗调钮8使晶圆14所受压力Fw与所需加工压力偏差不超过100g，再由外部控制器18控制电机4动作调节吸附头13的高低，使Fw达到所需加工压力，其中Fw=W-F2。

在磨抛过程中外部控制器18根据拉压力传感器3测得的拉力变化和无线千分表17测得的吸附头13的纵向移动距离控制电机4动作使Fw稳定在所需加工压力。具体的，晶圆14表面材料被去除，使晶圆14表面与磨抛盘200表面间的间隙变大，导致晶圆14所受作用力Fw减小，为保持Fw的稳定，电机4需要作用使吸附面13和晶圆14整体向下移动以补偿晶圆14表面材料去除的高度。在整个研磨过程中不停反复这个过程，直至达到晶圆14需要的厚度后停止。外部控制器18实时计算电机4在研磨过程中运动的行程长度，进一步算出晶圆14表面材料去除的厚度。与此同时，无线千分表17也对晶圆14表面材料的去除厚度进行实时的监控和记录。这两个检测方式同时进行，通过系统的比较和校正，可提高晶圆14表面材料去除厚度的精度和重复性。

另外应当指出的是，在研磨过程中，晶圆14表面材料被去除，使整体重量W1减小，同时材料被去除后，Fw也会变化。以2英寸InSb为例，当整个研磨过程去除400微米厚度，其重量变化在5g左右。2英寸片所受压力800g(40g/cm2)，研磨去除速度10微米每分钟和研磨去除400微米左右计算，每分钟因材料去除产生的W1变化为0.13g。 而对于尺寸更小的芯片，比如20mm*20mm芯片，其因总厚度300微米变化对W1产生的变化只有0.7克左右，而对于其下压力160g(40g/cm2)和材料去除量来说，影响非常小。因此在采用本夹具的研磨过程中，因材料被去除对W1和去除量的影响可以忽略不计。

实施例1，设计整体的重量W1=2560g，电机4重量W2=300g，采用2英寸InSb实验片，预设压力Fw=800g，计算得拉压力传感器3应测得的力为F2=2060g。

研磨前将夹具整体放置于压力测试校准装置上，调节压力粗调钮8，使拉压力传感器3读数为1960g左右，然后锁定压力粗调钮8。接着控制电机4动作，使W1整体向上运动微小距离使拉压力传感器3读数为2060g。

确保磨抛盘200平整并且表面均布磨料A，将压力调整好的夹具整体放置在磨抛盘200上。运行研磨工艺A进行研磨，同时将无线千分表清零。外部控制器18记录电机4此起始位置X1并实时检测拉压力传感器3读数，当小于2060g时，控制电机4来调整整体1向上运动，使压力始终保持在2060g；当大于2060g时，控制电机4来调整整体1向下运动，使压力始终保持在2060g。实时记录压力变化并形成压力曲线图。直到无线千分表17数值达到去除厚度300um，记录此时电机4终止位置X2，同时对比X2-X1的差值与无线千分表17达到的数值。并记录总时间，计算材料去除速率为9.6um/min；对比X2-X1和无线千分表4的数值，其差值范围在+/-2um，厚度误差为+/-0.67%，测量2英寸实验片表面TTV厚度变化为1微米，晶圆边缘无崩边无损伤表面无明显划道。实时压力变化范围6g，实验片压力的误差为+/-0.4%。

实施例2，设计整体的重量W1=2560g，电机4重量W2=300g，采用20mm*20mm InSb实验片，预设压力Fw=160g，计算得拉压力传感器3应测得的力为F2=2700g。

研磨前将夹具整体放置于压力测试校准装置上，调节压力粗调钮8，使拉压力传感器3读数为2600g左右，然后锁定压力粗调钮8。接着控制电机4动作，使W1整体向上运动微小距离使拉压力传感器3读数为2700g。

确保磨抛盘200平整并且表面均布磨料B，将压力调整好的夹具整体放置在磨抛盘200上。同时将无线千分表17清零，记录电机4起始位置X3。实时检测拉压力传感器3读数，当小于2700g时，控制电机4来调整整体1向上运动，使压力始终保持在2700g;当大于2700g时，控制电机4来调整整体1向下运动，使压力始终保持在2700g。实时记录压力变化并形成压力曲线图。直到无线千分表17数值达到去除厚度300um，记录电机4终止位置X4，并记录总时间，计算材料去除速率为8.9um/min，对比X4-X3和无线千分表17的数值，其差值范围在+/-3um,厚度误差为+/-1%，测量表面TTV变化为1微米，晶圆边缘无崩边无损伤表面无明显划道。实时压力变化范围8g，芯片压力的误差为+/-2.5%。